城鎮建成區調查地理信息應用系統的設計與實現

馮存均，丁明雷，左石磊，吳　慧

(浙江省地理信息中心地理國情監測國家測繪地理信息局重點實驗室，浙江 杭州 310012)

Design and Implementation of Geographic Information Application System for

Urban Built-up Area

FENG Cunjun，DING Minglei，ZUO Shilei，WU Hui

?

城鎮建成區調查地理信息應用系統的設計與實現

馮存均，丁明雷，左石磊，吳慧

(浙江省地理信息中心地理國情監測國家測繪地理信息局重點實驗室，浙江 杭州 310012)

Design and Implementation of Geographic Information Application System for

Urban Built-up Area

FENG Cunjun，DING Minglei，ZUO Shilei，WU Hui

摘要：城鎮建成區調查是正在開展的浙江省第一次地理國情普查之省情普查的重要內容之一，旨在基于遙感影像、基礎地理信息數據、相關專題數據，依據統一的《浙江省城鎮建成區調查技術規程》，形成科學真實的城市建成區范圍邊界。城鎮建成區調查地理信息應用系統立足于《浙江省城鎮建成區調查技術規程》，充分利用RS和GIS技術，實現了遙感信息自動提取、城鎮建成區范圍劃分、建成區變化監測等功能，是開展城鎮建成區調查的重要輔助工具。本文對系統的功能設計與實現進行了闡述，并對目前系統的應用情況進行了介紹。

關鍵詞：城鎮建成區；地理信息系統；遙感

一、引言

城鎮建成區范圍及其變化情況反映的是一個城鎮發展規模與速度，是判斷城鎮社會經濟發展的基礎數據，因而準確衡量城鎮建成區范圍面積尤為重要。目前，國內對于城鎮建成區范圍界定方面存在著概念模糊、界定方法標準不一致等問題，且劃分方式大多是依據遙感影像進行人工勾繪或軟件提取。這些劃分方式劃分誤差較大、耗費時間長，而且劃分標準和劃分方式的不同容易造成不同單位產生不同的劃分結果[1-3]。因此，建立一套完整的城鎮建成區界定方法和規程，并以此為基礎開發城鎮建成區范圍自動劃分系統顯得尤為重要。

2012年6月，浙江省地理信息中心聯合浙江省住房與城鄉建設廳、浙江大學制定了《浙江省城鎮建成區調查技術規程》(以下簡稱“規程”)，對城鎮建成區的統計口徑、統計方法進行規范，提出了一套多指標綜合分析評價體系，將城鎮建成區的定義細化為可定量操作的調查技術規程，規定了對城鎮建成區范圍進行快速提取的操作細則。同時，基于RS和GIS技術，建立城鎮建成區調查地理信息應用軟件系統，以規程為主要設計依據，將規程中的城鎮建成區劃分流程在軟件系統中予以實現，為相關部門提供快捷、高效的城鎮建成區范圍面積調查與監測途徑。

二、總體技術框架

城市建成區調查地理信息應用系統采用Esri的ArcGIS 10.1和ENVI 4.8作為軟件開發平臺，結合Microsoft Visual Studio 2010和C#語言進行組件式開發，實現開發可擴展、易維護的應用系統。系統體系結構為C/S(客戶端/服務器)，采用C/S體系結構是因為建成區劃分流程涉及大量的數據處理和指標計算工作，且運算所涉及的專題數據多為涉密數據，C/S架構可以有效地保證系統的運行效率和處理數據的安全性。系統框架結構如圖1所示。

圖1　系統框架結構

系統以基礎地理信息數據、遙感影像數據和相關專題數據為依托，基于《浙江省城市建成區調查技術規程》，采用GIS和RS技術，實現遙感信息自動提取、城鎮建成區范圍的自動劃分、影像信息提取、人工修正和變化范圍變化動態監測等功能，為浙江省城鎮建成區調查工作提供工具支持。

該系統是國內首個實現城鎮建成區范圍自動劃分和人工劃分相結合的系統，填補了國內該領域的空白，具有極大的應用價值。

三、系統設計實現

1. 系統數據需求

城鎮建成區調查地理信息應用系統在劃分建成區的過程中涉及大量的數據處理和指標計算，而這些指標計算要求以充足的數據作為計算基礎，主要包括遙感影像數據、基礎地理信息數據、輔助數據和專題數據。

遙感影像數據應使用研究區域當年獲取的2.5 m或更高分辨率的衛星遙感影像。若調查時無法獲取當年的遙感影像數據，須使用距離調查時相最近的影像數據。

基礎地理信息數據主要包括行政境界數據、水系數據和路網數據。

輔助數據包括用地分類資料數據(有城鄉用地分類資料和土地利用現狀分類資料兩種類型)、城市已批用地紅線數據和建制范圍數據。

專題數據主要是調查區域的一些基礎性、服務性設施分布資料數據，數據詳細情況見表1。

表1　專題數據

2. 系統功能設計與實現

系統以模塊化結構為主體，按類別將所有功能模塊歸納在一起，程序界面統一調用各大功能模塊。系統主界面如圖2所示。

圖2　城鎮建成區調查地理信息應用系統主界面

系統分為數據預處理、通用GIS功能、建成區范圍劃分、建成區變化監測、打印輸出和系統維護管理6個模塊，各個模塊之間相互依賴，存在著緊密的聯系。基于數據預處理模塊提取的遙感影像分類數據，通過建成區劃分模塊進行劃分，生成研究區域建成區范圍數據；利用建成區變化監測模塊將系統生成的建成區數據和已有的建成區范圍數據進行空間分析，得到研究區域不同時期建成區范圍變化情況；最后，通過通用GIS功能模塊和打印輸出模塊進行結果的展示和輸出。

(1) 數據預處理

數據預處理包括遙感影像信息提取、輔助數據和專題數據檢查兩項功能。

信息提取基于遙感影像數據，針對調查區域的地形地貌特征，充分利用對象信息(色調、形狀)與類間信息(與鄰近對象的相關特征)，使用制定的分類規則集，對遙感影像進行信息自動提取，提取結果分為人工化區域(包括建制鎮區域、鄉村及部分采礦用地等特殊區域)和自然原始區域(包括水系、山體和農林用地等植被覆蓋及未識別區域)兩種類型。

數據檢查主要是對導入系統的輔助數據和專題數據進行屬性、坐標系和拓撲等檢查。

(2) 建成區范圍劃分

建成區范圍劃分模塊是系統的核心模塊。建成區劃分流程分為屬性修正、功能修正和形態修正3個步驟。屬性修正主要是對預處理數據結果進行行政境界、建制范圍和水域等修正，剔除一些不必要的信息，簡化信息量，便于后于操作。

功能修正是將影響建成區范圍劃分的一些抽象指標進行定性化和定量化處理，實現指標的自動化計算，最后依據指標計算結果和相應的權重值對研究區域進行評分，剔除低分區域。功能修正評價體系見表2。

表2　功能修正基礎與服務設施評價指標

形態修正是將功能修正的結果進行飛地修正、邊界圓滑和空心地修正等操作，最終得到調查區域的建成區范圍。

(3) 建成區變化監測

基于不同時期的建成區范圍，動態生成調查區域建成區范圍變化數據；同時，使用相應的模型和方法，基于建成區范圍不同時期的變化數據，對未來某個時期的建成區范圍進行預測。

3. 系統應用實例

系統已在浙江省德清縣武康鎮、寧波市海曙區、杭州市江東、建德市等試點區域進行了建成區范圍的劃分試驗。通過試點，對規程及系統進行了驗證，試點結果也得到了主管部門的充分認可。在正在開展的浙江省第一次地理國情普查之城鎮建成區調查工作中，軟件系統已下發給全省所有的市、縣使用，極大地提高了建成區劃分效率。本文以德清縣武康鎮建成區范圍的劃分為例進行劃分流程和劃分結果的詳細說明。

試驗區域采用的遙感影像是成像時間為2010年、分辨率為2.5 m的ALOS影像。遙感影像信息提取結果如圖3所示。

圖3　遙感影像提取結果

以遙感影像提取數據為基礎，依據前面所述的劃分方法，結合試驗區域基礎地理信息數據和專題數據對研究區域建成區范圍進行劃分。劃分結果如圖4所示，(a)為研究區域綜合評分結果，(d)為建成區最終劃分結果。通過將劃分結果與武康鎮0.2 m航片進行對比分析，可發現劃分結果與當地實際情況比較吻合。

圖4　武康鎮建成區范圍不同劃分階段成果

四、結束語

城鎮建成區調查地理信息應用系統以《浙江省城市建成區調查技術規程》為基礎，針對目前國內對建成區范圍劃分和提取的不足和缺陷，全面綜合考慮了影響建成區劃分的多項因素，如土地權屬、空間形態、飛地、功能性和服務性設施分布、城中村、現勢性等影響建成區劃分的指標，并進行了定量化處理。與國內建成區劃分過程中多采用對照遙感影像進行人工勾繪的方式不同，本系統實現了自動劃分和人工劃分的有機結合，大大提高了劃分效率和精度。在下一步研究中，系統將制定更多的指標權重體系，更好地適應不同區域的實際情況，盡可能減少人工參與修正的比例；同時，系統將結合元胞自動機(CA)等技術對建成區范圍的發展變化趨勢進行更精確的預測。

2012年，在浙江省住房與城鄉建設廳組織的專家驗收會上，項目驗收專家一致認為該項成果填補了國內城鎮建成區范圍劃分領域的空白，達到了國內領先水平，有較高的推廣和應用價值；同時，在國家測繪與地理信息局和浙江省人民政府共同組織的地理國情監測試點項目專家驗收會上也得到了與會

領導和專家的一致認可和好評。目前，系統已申請軟件著作權登記。在浙江省省情普查的城鎮建成區調查工作中，本系統發揮了重要的作用，并取得了良好的效果。可以預見，在未來幾年開展的城鎮建成區變化監測工作中，本系統必將扮演更重要的角色。

參考文獻：

[1]胡憶東,吳志華,熊偉. 城市建成區界定方法研究[J].城市規劃,2008,32(4)：88-96.

[2]王躍,程丹. 蘇州建成區范圍界定及形態分析[J].蘇州科技學院學報：自然科學版，2011(3)：70-73.

[3]華晨,楊揚,黃娜. 超常規發展中杭州城市建成區界定方法探討[J].特區經濟,2004(11)：157-159.

[4]趙昕,胡召玲. 基于RS和GIS的徐州市建成區擴展研究[J].淮海工學院學報：社會科學版，2006,4(4)：61-63.

[5]賈維華,楊鋒杰. 基于RS和GIS的濟寧市城區擴展動態變化研究[J].山東科技大學學報,2005,24(2)：35-37.

[6]湯君友,楊貴山. 基于RS和GIS的無錫市城鎮建設用地擴展時空特征分析[J].長江流域資源與環境,2004,13(5)：423-428.

[7]牟鳳云,張增祥,譚文彬. 基于遙感和GIS的重慶市近30年城市形態演化特征分析[J].云南地理環境研究,2008,20(5)：2-4.

[8]周一星,史育龍．建立中國城市的實體地域概念[J]. 地理學報,1995，50(4)：289-301.

[9]陳友華,趙民. 城市規劃概論[M]．上海：上海科學技術文獻出版社,2005.

[10]談明洪,呂昌河．以建成區面積表征的中國城市規模分布[J].地理學報,2003，58(2)：285-293.

[11]左大康．現代地理學辭典[M]．北京：商務印書館，1990.

[12]張韶巖,曹昊,紀大勇． 基于AutoCAD 的土地勘測定界成果管理系統開發及應用研究[J]． 測繪通報,2014(1)：103-105.

引文格式： 馮存均，丁明雷，左石磊，等. 城鎮建成區調查地理信息應用系統的設計與實現[J].測繪通報，2015(3)：105-107.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0089

通信作者：丁明雷。E-mail：dml19860701@163.com

作者簡介：馮存均(1971—)，男，教授級高級工程師，主要從事地理信息系統開發、地理國情監測研究等工作。E-mail：fcjgis@163.com

基金項目：國家測繪地理信息局重點專項(測國土函[2011]59號)

收稿日期：2014-08-24

中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)03-0105-03